7份紅萍種質(zhì)資源生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征比較及飼用價(jià)值評(píng)價(jià)

李忠義，蔣云偉，應(yīng)朝陽(yáng)，曹衛(wèi)東，周國(guó)朋，黃麗秀，韋彩會(huì)，唐紅琴，董文斌，蒙炎成，何鐵光*

(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西 南寧 530007；2.桂林市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中心，廣西 桂林 541006；3.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建 福州 350013；4.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

【研究意義】紅萍(Azolla)又名滿江紅，為水生蕨類植物與固氮藍(lán)細(xì)菌(藍(lán)藻)的共生體，是我國(guó)南方傳統(tǒng)的稻田綠肥和禽畜魚飼餌料，在稻—萍、稻—萍—魚和稻—萍—鴨等農(nóng)業(yè)生態(tài)模式中發(fā)揮著重要作用[1-2]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是利用生態(tài)過程中多重化學(xué)元素的平衡關(guān)系探究元素比例對(duì)有機(jī)體和生態(tài)系統(tǒng)影響程度的有效工具[3-4]，可用于指導(dǎo)農(nóng)田土壤培肥[5]。隸屬函數(shù)分析法可客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)植物的飼用價(jià)值[6]。因此，借助生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)分析紅萍的碳(C)、氮(N)、磷(P)和鉀(K)等主要養(yǎng)分含量，并結(jié)合隸屬函數(shù)分析法對(duì)其飼用價(jià)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)紅萍的養(yǎng)分管理和生產(chǎn)利用具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】目前，生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)主要結(jié)合生物學(xué)科不同層次的理論集中研究C、N和P等元素的特征[7-8]。鄭向麗等[9]研究網(wǎng)室土壤水培養(yǎng)條件下不同紅萍C、N和P的季節(jié)變化情況，明確了紅萍的C/N、C/P和N/P隨溫度變化呈先降低再升高的變化趨勢(shì)。余濤等[10]研究網(wǎng)室土壤水培養(yǎng)和溫室營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)條件下不同紅萍的C、N和P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，明確了紅萍的生長(zhǎng)主要受N元素限制。紅萍是一種富鉀綠肥[11]，K元素作為作物營(yíng)養(yǎng)的三要素之一，在細(xì)胞滲透勢(shì)調(diào)控、氣孔調(diào)節(jié)、同化物的合成與運(yùn)輸及植物抗性的提高等方面發(fā)揮著重要作用[12]，將其與C、N和P元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征一起分析，有利于全面揭示紅萍養(yǎng)分的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征和肥用價(jià)值。紅萍作為飼餌料在稻—魚和稻—鴨生態(tài)系統(tǒng)中不僅參與養(yǎng)分循環(huán)，更為魚和鴨提供清潔食源[13-14]。黃毅斌等[15]開展細(xì)綠萍(AzollafiliculoidesLam)、卡洲萍(A.carolinianaWilld)、羽葉萍(A.pinnataR. Brown)和小葉萍(A.microphyllaKaulfus)養(yǎng)魚的適口性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)7～10月的羽葉萍較適合作為草魚餌料。林忠華等[16]研究顯示，回交萍(BackcrossedAzolla. MH)作為魚飼料，產(chǎn)投比為2.0～2.1?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】迄今，針對(duì)不同紅萍種質(zhì)資源飼用價(jià)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的研究鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】模擬自然環(huán)境，篩選適宜露天土壤水培養(yǎng)條件的紅萍資源，明確其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，并通過隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)其飼用價(jià)值，為紅萍資源在稻—萍—魚/鴨農(nóng)業(yè)生態(tài)模式中推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試7份紅萍種質(zhì)資源分別為細(xì)綠萍、卡州萍、覆瓦狀萍[A.imbricate(Roxb.) Nakais]、羽葉萍、雜交萍(HybridAzolla)、回交萍2(BackcrossedAzolla. MH2)和回交萍3(BackcrossedAzolla. MH3)，均由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所于2017年從國(guó)家紅萍種質(zhì)圃(福州)引進(jìn)，并在廣西桂林進(jìn)行適應(yīng)性養(yǎng)殖。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019年7月在桂林市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中心試驗(yàn)田進(jìn)行露天土壤水培養(yǎng)，水深約10 cm，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每小區(qū)面積8 m2，每個(gè)品種3次重復(fù)，即3個(gè)區(qū)組21個(gè)處理小區(qū)。每小區(qū)放養(yǎng)鮮萍2.00 kg，每次放萍后每小區(qū)施過磷酸鈣20.0 g和氯化鉀4.0 g，每15 d測(cè)產(chǎn)1次，共測(cè)產(chǎn)4次，在第2次測(cè)產(chǎn)時(shí)取樣分析養(yǎng)分指標(biāo)和營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

紅萍取樣后用純凈水沖洗干凈，再用吸水紙吸干，測(cè)定其鮮生物量。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，105 ℃殺青30 min后70 ℃烘干至恒重過篩，儲(chǔ)于真空干燥器中備用。樣品有機(jī)C含量采用重鉻酸鉀—外加熱法測(cè)定，全N含量采用凱氏定氮法測(cè)定，全P含量采用硝酸—高氯酸消煮—鉬銻抗分光光度法測(cè)定，全K含量采用火焰光度計(jì)測(cè)定[17]，粗蛋白(CP)含量采用GB/T 6432—2018《飼料中粗蛋白的測(cè)定 凱氏定氮法》進(jìn)行測(cè)定，粗脂肪(EE)含量采用GB/T 6433—2006《飼料中粗脂肪的測(cè)定》中的索氏提取法進(jìn)行測(cè)定，粗灰分(Ash)含量采用GB/T 6438—2007《飼料中粗灰分的測(cè)定》中的灰化法進(jìn)行測(cè)定，中性洗滌纖維(NDF)含量采用GB/T 20806—2006《飼料中中性洗滌纖維(NDF)的測(cè)定》中的方法進(jìn)行測(cè)定，酸性洗滌纖維(ADF)含量采用NY/T 1459—2007《飼料中酸性洗滌纖維的測(cè)定》中的方法進(jìn)行測(cè)定。

表1 有機(jī)肥料品質(zhì)三要素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 有機(jī)肥料品質(zhì)總分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

紅萍生物量積累用繁殖系數(shù)K表示[18]，K=(W1-W0)/t，其中，W1為測(cè)產(chǎn)時(shí)的紅萍重量，W0為初始紅萍重量，t為培養(yǎng)天數(shù)。飼用價(jià)值應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值R(Xi)法，對(duì)粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維等5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[19-20]。如果指標(biāo)間呈正相關(guān)，則用R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)計(jì)算隸屬函數(shù)值，如果指標(biāo)間呈負(fù)相關(guān)，則用R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)計(jì)算隸屬函數(shù)值。式中，R(Xi)為隸屬函數(shù)值，Xi為指標(biāo)測(cè)定值，Xmin為同組處理的最小值，Xmax為同組處理的最大值。

根據(jù)全國(guó)有機(jī)肥料品質(zhì)N、P、K三要素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21](表1)和全國(guó)有機(jī)肥料品質(zhì)總分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21](表2)，對(duì)7份紅萍種質(zhì)資源進(jìn)行有機(jī)肥分級(jí)評(píng)價(jià)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行整理，以DPS 9.05進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅萍種質(zhì)資源的生長(zhǎng)特性

由表3可知，在露天土壤水培養(yǎng)15 d時(shí)，7份紅萍種質(zhì)資源的鮮生物量為1.18～1.69 kg/m2，平均為1.34 kg/m2，其中覆瓦狀萍的鮮生物量最高，且顯著高于細(xì)綠萍、卡州萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3(P<0.05，下同)；卡州萍的鮮生物量最低，但與細(xì)綠萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3無顯著差異(P>0.05，下同)。培養(yǎng)15 d時(shí)，7份紅萍種質(zhì)資源的繁殖系數(shù)為0.49～0.77 kg/(d·小區(qū))，平均為0.58 kg/(d·小區(qū))，其中覆瓦狀萍的繁殖系數(shù)最高，且顯著高于細(xì)綠萍、卡州萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3；卡州萍的繁殖系數(shù)最低，但與細(xì)綠萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3無顯著差異。說明覆瓦狀萍在廣西桂林越夏生長(zhǎng)的適應(yīng)性最佳，其他紅萍種質(zhì)資源的適應(yīng)性排序?yàn)榛亟黄?>細(xì)綠萍>雜交萍>回交萍2>羽葉萍>卡州萍。

2.2 紅萍種質(zhì)資源的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

2.2.1 C、N、P和K含量比較 由表4可知，7份紅萍種質(zhì)資源的C含量變幅為46.87 %～63.00 %，平均為58.53 %，其中覆瓦狀萍的C含量最低，且顯著低于細(xì)綠萍、卡州萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3，細(xì)綠萍的C含量最高，但與卡州萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3無顯著差異；N含量變幅為2.56 %～3.55 %，平均為3.21 %，其中羽葉萍的N含量最低，卡州萍的N含量最高，二者間差異顯著，細(xì)綠萍、覆瓦狀萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3間及其與羽葉萍和卡州萍間的N含量無顯著差異；P含量變幅為0.62 %～0.85 %，平均為0.71 %，其中細(xì)綠萍的P含量最低，卡州萍的P含量最高，二者差異顯著，覆瓦狀萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3間及其與細(xì)綠萍和卡州萍間的P含量無顯著差異；K含量變幅為2.49 %～3.85 %，平均為2.77 %，其中卡州萍的K含量最高，且顯著高于細(xì)綠萍、覆瓦狀萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3，細(xì)綠萍、覆瓦狀萍、羽葉萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3間的K含量無顯著差異。根據(jù)全國(guó)有機(jī)肥料品質(zhì)N、P和K三要素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和全國(guó)有機(jī)肥料品質(zhì)總分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本研究中細(xì)綠萍、卡州萍、覆瓦狀萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3的N、P和K三要素總分為68分，達(dá)一級(jí)有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)，羽葉萍的N、P和K三要素總分為60分，達(dá)二級(jí)有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)。說明7份紅萍種質(zhì)資源作為綠肥應(yīng)用均具有較高的潛在價(jià)值。

表3 紅萍種質(zhì)資源的生長(zhǎng)特性

表4 紅萍種質(zhì)資源的C、N、P、K含量和有機(jī)肥品質(zhì)分級(jí)評(píng)價(jià)

2.2.2 C、N、P和K的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征比較 由表5可知，7份紅萍種質(zhì)資源的C/N變幅為14.93～23.61，平均為18.67，其中羽葉萍的C/N最高，覆瓦狀萍的C/N值最低，二者間差異顯著；C/P變幅為68.03～104.36，平均為83.57，其中細(xì)綠萍的C/P最高，覆瓦狀萍的C/P最低，二者間差異顯著；C/K變幅為15.52～25.44，平均為21.83，其中細(xì)綠萍和雜交萍的C/K較高，二者間無顯著差異，但均顯著高于卡州萍和覆瓦狀萍，而卡州萍的C/K最低，且顯著低于除覆瓦狀萍外的其他5份種質(zhì)資源；N/P變幅為3.80～5.46，平均為4.55，其中細(xì)綠萍的N/P最高，羽葉萍的N/P最低，二者差異顯著；N/K變幅為0.95～1.68，平均為1.24，其中細(xì)綠萍的N/K最高，卡州萍的N/K最低，二者差異顯著；K/P變幅為3.49～4.64，7份種質(zhì)資源間無顯著差異。可見，紅萍對(duì)N、P和K元素的利用效率隨品種不同呈多樣性變化，其中，細(xì)綠萍的C/P、N/P和N/K較高，卡州萍的C/N、C/P 和C/K較低。

本研究中紅萍的N/P變幅為3.80～5.46，遠(yuǎn)低于14.00，K/P的變幅為3.49～4.64，大于3.40，參考吳家森等[22]、Koerselman和Meuleman[23]、Olde等[24]的研究結(jié)果推斷，N是紅萍生長(zhǎng)的限制因子，而紅萍作為富鉀綠肥，其生長(zhǎng)受鉀的影響較小。

表5 紅萍種質(zhì)資源的C、N、P和K生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征比較

表6 紅萍種質(zhì)資源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量比較

2.3 紅萍種質(zhì)資源的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)對(duì)比及飼用價(jià)值綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 營(yíng)養(yǎng)品質(zhì) 由表6可知，7份紅萍種質(zhì)資源的粗蛋白含量為15.52 %～25.39 %，平均為21.55 %，其中羽葉萍的粗蛋白含量最低，卡州萍的粗蛋白含量最高，二者間差異顯著；粗脂肪含量為2.37 %～3.40 %，平均為2.80 %，其中覆瓦狀萍的粗脂肪含量最低，雜交萍的粗脂肪含量最高，二者間差異顯著；粗灰分含量為11.70 %～16.97 %，平均為14.22 %，其中細(xì)綠萍的粗灰分含量最低，羽葉萍的粗灰分含量最高，二者間差異顯著；酸性洗滌纖維含量為38.53 %～49.47 %，平均為42.35 %，其中細(xì)綠萍的酸性洗滌纖維含量最低，羽葉萍的酸性洗滌纖維含量最高，二者間差異顯著；中性洗滌纖維含量為49.67 %～54.63 %，平均為51.66 %，其中卡州萍的中性洗滌纖維含量最低，回交萍2的中性洗滌纖維含量最高，二者間差異顯著。說明不同紅萍種質(zhì)資源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量有所不同，其中羽葉萍的粗蛋白含量和粗脂肪含量較低，粗灰分含量和酸性洗滌纖含量較高。

2.3.2 飼用價(jià)值的綜合評(píng)價(jià) 選擇粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量等5個(gè)指標(biāo)，采用隸屬函數(shù)法進(jìn)行飼用價(jià)值分析評(píng)價(jià)。其中粗蛋白和粗脂肪含量與紅萍種質(zhì)資源品質(zhì)呈正相關(guān)，可采用隸屬函數(shù)計(jì)算公式計(jì)算其函數(shù)值，而粗灰分、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量與紅萍種質(zhì)資源品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，需采用反隸屬函數(shù)計(jì)算公式計(jì)算其函數(shù)值。由表7可知，雜交萍的平均隸屬函數(shù)值最高，卡州萍和細(xì)綠萍的平均隸屬函數(shù)值較高，其后依次為回交萍3、回交萍2、覆瓦狀萍和羽葉萍，即7份紅萍種質(zhì)資源的飼用價(jià)值排序?yàn)殡s交萍>卡州萍>細(xì)綠萍>回交萍3>回交萍2>覆瓦狀萍>羽葉萍。說明雜交萍的飼用價(jià)值最高，卡州萍和細(xì)綠萍的飼用價(jià)值較高，適宜在桂北地區(qū)稻—萍—魚/鴨農(nóng)業(yè)生態(tài)模式中推廣應(yīng)用；而羽葉萍的飼用價(jià)值最低，不宜在桂北地區(qū)稻—萍—魚/鴨農(nóng)業(yè)生態(tài)模式中推廣應(yīng)用。

表7 紅萍種質(zhì)資源各營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3 討 論

生物量作為衡量植物生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，能較好地反映紅萍的生長(zhǎng)適應(yīng)性。余濤等[10]研究表明，在8份紅萍種質(zhì)資源中，雜交萍在網(wǎng)室土壤水培養(yǎng)環(huán)境下培養(yǎng)其生物量最高，羽葉萍的生物量最低；卡州萍在溫室營(yíng)養(yǎng)液環(huán)境下培養(yǎng)其生物量最高，覆瓦狀萍的生物量最低。萬合鋒等[25]研究認(rèn)為，溫度和光照是影響紅萍生長(zhǎng)的重要因素。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果存在差異，覆瓦狀萍在露天土壤水培養(yǎng)環(huán)境下培養(yǎng)其鮮生物量和繁殖系數(shù)最高，表明覆瓦狀萍在廣西桂林越夏的適應(yīng)性強(qiáng)，進(jìn)一步說明不同紅萍種質(zhì)資源在不同環(huán)境條件生長(zhǎng)狀況存在差異。

C是有機(jī)體的重要組成部分，N、P和K是植物生長(zhǎng)不可或缺的大量營(yíng)養(yǎng)元素。本研究中，7份紅萍種質(zhì)資源的C含量變幅為46.87 %～63.00 %，N含量變幅為2.56 %～3.55 %，P含量變幅為0.62 %～0.85 %，K含量變幅為2.49 %～3.85 %，其中，C含量高于我國(guó)東部水生植物C含量的平均值(33.70 %)[26]，K含量高于我國(guó)陸生植物K含量的平均值(1.21 %)[27]，N和P含量均高于我國(guó)陸生植物N和P 含量的平均值(1.860 %和0.121 %)[28]，也高于我國(guó)濕地植物N和P含量的平均值(1.607 %和0.185 %)[29]，說明紅萍含有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素。郇恒福等[30-32]、王松林等[33]、賴杭桂等[34]、馬艷芹等[35]開展不同綠肥品種品質(zhì)評(píng)價(jià)、等級(jí)劃分和腐解特性研究，其結(jié)果有利于掌握綠肥作物的肥用價(jià)值，從而為綠肥品種的合理利用提供參考依據(jù)。本研究中，細(xì)綠萍、卡州萍、覆瓦狀萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3的N、P和K三要素總分達(dá)一級(jí)有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)，羽葉萍的N、P和K三要素總分達(dá)二級(jí)有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)，說明紅萍作為綠肥具有較高的潛在應(yīng)用價(jià)值。

營(yíng)養(yǎng)元素的化學(xué)計(jì)量比可體現(xiàn)植物生長(zhǎng)策略和環(huán)境養(yǎng)分限制[36]。C/N、C/P 和C/K代表植物吸收N、P和K等元素所能同化C的能力，在一定程度上反映了植物的養(yǎng)分利用效率[37]。本研究發(fā)現(xiàn)，紅萍對(duì)N、P和K元素的利用效率隨品種不同呈多樣性變化，其中，卡州萍的C/N、C/P 和C/K較低，與鄭向麗等[9]在網(wǎng)室土壤水培養(yǎng)條件下獲得的紅萍C/N和C/P相似。本研究中，7份紅萍種質(zhì)資源的N/P均小于14.00，K/P大于3.40，說明N是紅萍生長(zhǎng)的限制因子，因此，在紅萍的養(yǎng)殖管理中，應(yīng)適當(dāng)增施氮肥。

利用單一營(yíng)養(yǎng)成分指標(biāo)評(píng)價(jià)種質(zhì)資源的優(yōu)劣具有一定的片面性，而隸屬函數(shù)分析法提供了一條在多指標(biāo)測(cè)定基礎(chǔ)上對(duì)種質(zhì)資源特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的途徑，使分析結(jié)果更客觀和準(zhǔn)確[38-39]。本研究對(duì)7份紅萍種質(zhì)資源5個(gè)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行的隸屬函數(shù)分析結(jié)果表明，雜交萍的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值最高，其后依次為卡州萍、細(xì)綠萍、回交萍3、回交萍2、覆瓦狀萍和羽葉萍，桂北地區(qū)的稻—萍—魚/鴨農(nóng)業(yè)生態(tài)模式可參考應(yīng)用。

4 結(jié) 論

在廣西桂林地區(qū)露天土壤水培養(yǎng)條件下，細(xì)綠萍、卡州萍、覆瓦狀萍、雜交萍、回交萍2和回交萍3的N、P和K三要素總分達(dá)一級(jí)有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)，羽葉萍達(dá)二級(jí)有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)，作為綠肥均具有較高的潛在應(yīng)用價(jià)值；7份紅萍種質(zhì)資源的N/P均較低，說明N是紅萍生長(zhǎng)的限制因子；覆瓦狀萍的鮮生物量和繁殖系數(shù)最高，生長(zhǎng)適應(yīng)性最佳，雜交萍的飼用價(jià)值最高，這2份種質(zhì)資源更適宜在桂北地區(qū)的稻—萍—魚/鴨農(nóng)業(yè)生態(tài)模式中推廣應(yīng)用。